Karbamoylfosfatsyntase (CPSase) er et heterodimert enzym som består av en liten og en stor underenhet (med unntak Av CPSase III, som består av et enkelt polypeptid som kan ha oppstått fra genfusjon av glutaminase-og syntetase-domener). CPSase har tre aktive områder, en i den lille underenheten og to i den store underenheten. Den lille underenheten inneholder glutaminbindingsstedet og katalyserer hydrolysen av glutamin til glutamat og ammoniakk, som igjen brukes av den store kjeden for å syntetisere karbamoylfosfat. Den lille underenheten har en 3-lags beta / beta / alfa-struktur, og antas å være mobil i de fleste proteiner som bærer den. Det C-terminale domenet til den lille Underenheten Av CPSase har glutamin amidotransferaseaktivitet. Den store underenheten har to homologe karboksyfosfatdomener, som begge har ATP-bindingssteder; det n-terminale karboksyfosfatdomenet katalyserer fosforyleringen av biokarbonat, mens Det C-terminale domenet katalyserer fosforyleringen av karbamat-mellomproduktet. Karboksyfosfatdomenet funnet duplisert i Den store underenheten Av CPSase er også til stede som en enkelt kopi i de biotinavhengige enzymene acetyl-CoA-karboksylase (ACC), propionyl-CoA-karboksylase (PCCase), pyruvatkarboksylase (PC) og ureakarboksylase.
den store underenheten i bakteriell CPSase har fire strukturelle domener: karboksyfosfatdomenet 1, oligomeriseringsdomenet, karbamoylfosfatdomenet 2 og allosterisk domene. CPSase heterodimerer fra Escherichia coli inneholder to molekylære tunneler: en ammoniakktunnel og en karbamattunnel. Disse inter-domene tunneler koble de tre distinkte aktive områder, og fungere som kanaler for transport av ustabile reaksjon mellomprodukter (ammoniakk og karbamat) mellom suksessive aktive områder. Den katalytiske mekanismen for CPSase innebærer diffusjon av karbamat gjennom det indre av enzymet fra syntesestedet i Det n-terminale domenet til den store underenheten til fosforyleringsstedet i Det C-terminale domenet.