Carbamoylfosfaatsynthetase (CPSase) is een heterodimerisch enzym dat bestaat uit een kleine en een grote subeenheid (met uitzondering van CPSase III, dat bestaat uit één enkel polypeptide dat mogelijk is ontstaan door genfusie van de glutaminase-en synthetasedomeinen). CPSase heeft drie actieve plaatsen, één in de kleine subeenheid en twee in de grote subeenheid. De kleine subeenheid bevat de plaats van de glutaminebinding en katalyseert de hydrolyse van glutamine aan glutamaat en ammoniak, die op zijn beurt door de grote keten wordt gebruikt om carbamoylfosfaat samen te stellen. De kleine subeenheid heeft een 3-laag bèta / bèta / alpha structuur, en wordt verondersteld mobiel in de meeste proteã nen te zijn die het dragen. Het C-terminale domein van de kleine subeenheid van CPSase heeft glutamine amidotransferase activiteit. De grote subeenheid heeft twee homologe carboxy-fosfaatdomeinen, die allebei ATP-bindende plaatsen hebben; nochtans, katalyseert het n-eind carboxy-fosfaatdomein de phosphorylation van biocarbonate, terwijl het C-einddomein de phosphorylation van carbamate tussenpersoon katalyseert. Het carboxyfosfaat domein gevonden gedupliceerd in de grote subeenheid van CPSase is ook aanwezig als enig exemplaar in de biotine-afhankelijke enzymen acetyl-CoA carboxylase (ACC), propionyl-CoA carboxylase (PCCase), pyruvate carboxylase (PC) en ureumcarboxylase.
de grote subeenheid in bacterieel CPSase heeft vier structurele domeinen: het carboxyfosfaat domein 1, het oligomerisatie domein, het carbamoylfosfaat domein 2 en het allosterische domein. Cpsase heterodimers van Escherichia coli bevatten twee moleculaire tunnels: een ammoniaktunnel en een carbamaattunnel. Deze interdomeintunnels verbinden de drie verschillende actieve locaties en functioneren als leidingen voor het transport van onstabiele reactie-tussenproducten (ammoniak en carbamaat) tussen opeenvolgende actieve locaties. Het katalytische mechanisme van cpsase impliceert de verspreiding van carbamaat door het binnenland van het enzym van de plaats van synthese binnen het n-einddomein van de grote subeenheid aan de plaats van phosphorylation binnen het C-einddomein.