a karbamoil-foszfát-szintáz (CPSase) egy kis és egy nagy alegységből álló heterodimer enzim (a CPSase III kivételével, amely egyetlen polipeptidből áll, amely a glutamináz és szintetáz domének génfúziójából származhat). A CPSase-nek három aktív helye van, egy a kis alegységben, kettő pedig a nagy alegységben. A kis alegység tartalmazza a glutamin kötőhelyét, és katalizálja a glutamin glutamáttá és ammóniává történő hidrolízisét, amelyet viszont a nagy lánc a karbamoil-foszfát szintetizálására használ. A kis alegységnek 3 rétegű béta/béta / alfa szerkezete van, és úgy gondolják, hogy a legtöbb fehérje, amely hordozza, mobil. A CPSase kis alegységének C-terminális doménje glutamin-amidotranszferáz aktivitással rendelkezik. A nagy alegységnek két homológ karboxi-foszfát doménje van, amelyek mindkettőnek vannak ATP-kötő helyei; az N-terminális karboxi-foszfát domén azonban katalizálja a biokarbonát foszforilezését, míg a C-terminális domén katalizálja a karbamát köztitermék foszforilezését. A Cpsáz nagy alegységében duplikált karboxi-foszfát domén szintén jelen van egyetlen példányban a biotin-függő enzimekben acetil-CoA-karboxiláz (ACC), propionil-CoA-karboxiláz (PCCase), piruvát-karboxiláz (PC) és karbamid-karboxiláz.
a bakteriális Cpsáz nagy alegységének négy szerkezeti doménje van: az 1.karboxi-foszfát domén, az oligomerizációs domén, a 2. karbamoil-foszfát domén és az alloszterikus domén. Az Escherichia coli-ból származó CPSase heterodimerek két molekuláris alagutat tartalmaznak: egy ammónia-alagutat és egy karbamát-alagutat. Ezek a tartományok közötti alagutak összekötik a három különálló aktív helyet, és vezetékként működnek az instabil reakció köztitermékek (ammónia és karbamát) egymást követő aktív helyek közötti szállításához. A CPSase katalitikus mechanizmusa magában foglalja a karbamát diffúzióját az enzim belsejében a nagy alegység N-terminális doménjén belüli szintézis helyétől a C-terminális doménen belüli foszforiláció helyéig.