Les métaux lourds, et en particulier les actinides, sont toxiques pour l'homme. La compréhension des mécanismes responsables de leur toxicité constitue un champ d'investigation important dans le domaine de la toxicologie. La compréhension des interactions de l’uranyle à l’échelle moléculaire est nécessaire pour prédire sa toxicité et pour concevoir des agents décorporants efficaces. Ce travail a pour objectif de contribuer à la caractérisation des sites d’interaction protéine-uranyle et à l’identification des facteurs clés gouvernant ces interactions. Pour obtenir des données thermodynamiques et structurales sur ces sites, deux stratégies ont été adaptées à l’étude des deux protéines humaines prédites comme cibles majeures de l’uranyle et dont les propriétés et structures sont très différentes. Les deux domaines structurés de la fétuine-A, ont été produits puis étudiés indépendamment par des méthodes physico-chimiques complémentaires incluant la spectroscopie RMN multidimensionelle afin d’obtenir des informations structurales sur les sites de liaison du métal dans la protéine. Afin d’élucider les interactions entre l’uranyle et l’ostéopontine, une protéine phosphorylée intrinsèquement désordonnée, nous avons conçu des peptides préorganisés en feuillet β comme modèles de sites de liaison de l’uranyle. Des acides aminés phosphorylés ont été introduits dans ces structures, permettant ainsi de reproduire l’environnement de coordination du métal dans la protéine. Les différences de structures et de propriétés entre biomolécules peuvent représenter un frein aux études d’affinité. Une sonde fluorescente non naturelle a donc été développée pour mettre au point une méthode de hiérarchisation des cibles de l’uranyle s’affranchissant de ces différences. / Heavy metals, especially actinides, are toxic for humans. Understanding the mechanisms responsible for their toxicity is an important field of research in toxicology. Uranyl toxicity is still not well understood. The understanding of uranyl interactions at the molecular level is necessary to predict its chemical toxicity and to develop efficient chelating agents. This work aims at identifying uranyl binding sites in proteins and key factors that govern these interactions. To obtain thermodynamic and structural data, strategies were developed to study two proteins predicted as major uranyl targets which present different structures and properties. We took advantage of fetuin-A structure and studied the two structured domain of the protein by complementary physico-chemical methods including multidimensional NMR spectroscopy to acquire structural information on uranyl binding sites in this protein. In order to elucidate interactions between the metal and disordered phosphorylated proteins such as osteopontin, we designed peptides preorganized in β-sheet optimized to coordinate uranyl cation. We introduced amino acids containing phosphate groups and demonstrated that these peptides are relevant models to mimic uranyl binding sites found in phosphorylated proteins. Biomolecules display different structures and properties which may constitute an obstacle to affinity studies. A tool based on a non-natural fluorescent probe was developed to investigate and compare uranyl targets affinities.